鋼鐵企業粉塵超低排放技術研究進展

孫康寧，高佳欣，肖立春

（燕山大學環境與化學工程學院，河北 秦皇島066004）

鋼鐵工業是我國最主要的資源、能源消耗以及污染物排放行業之一，其煙塵排放被認定為主要的大氣污染排放源。目前，我國鋼鐵企業造成的環境污染問題十分嚴峻，特別是粉塵排放問題。鋼鐵企業的粉塵具有粒度小、親水性差且含有較多的有害元素的特點，在一定程度上造成了除塵技術難度的增加。鋼鐵企業實現粉塵超低排放的重點必須解決燒結機、高爐和轉爐等工藝流程中的大氣污染問題。要實現燒結機、高爐和轉爐粉塵的超低排放，一方面應降低燒結煙氣發生量、調整高爐爐料結構、發展新的煉鐵和煉鋼技術，減少污染物的排放量；另一方面，還應采用先進的除塵技術，提高粉塵的捕集效率，最終實現燒結機、高爐和轉爐等工藝的超低排放。

1 燒結機除塵技術發展現狀

燒結機可以將礦粉燒結成塊，并在燒結的過程中消除部分有害雜質。因為燒結過程中生成的煙氣對環境的污染日益加重，許多學者們對燒結煙氣循環工藝進行了研究。20世紀60年代，國外燒結廠大多數使用旋風除塵器和多管除塵器。20世紀70年代開始全部采用電除塵器，大大地提高了凈化效果。20世紀70年代末，日本提出了燒結煙氣循環的概念，并在1981年首次在燒結機上使用了燒結煙氣循環裝置，此裝置充分利用了燒結煙氣中的顯熱，取得了令人滿意的成果。1997年，Siebenhofer等研究了火法、濕法聯合處理技術，利用火法處理和濕法冶金處理工藝來處理煙氣中的粉塵，獲得較好的處理效果[1]。2013劉憲等采用了阻火器和布袋除塵器的串聯除塵工藝對湘鋼180 m2燒結機機尾除塵技術改造。運行結果顯示，除塵系統可使粉塵排放濃度小于20 mg/m3。2015年，楊來怡等提出了在鐵礦燒結工藝中使用濕式除塵技術，通過此技術會對煙塵中細顆粒物捕集獲得較好的效果。2016年，王鵬等采用均流式電袋復合除塵器取代原有電除塵器，實現了排放的粉塵濃度小于10 mg/m3。2017年，馬鴻良等為了能有效的降低煙塵的排放濃度，提出柔性電極濕式電除塵器，該除塵系統可對燒結煙氣進行深度處理。同年，李風民等對邯鋼400 m2燒結機使用的SDA（噴霧干燥工藝）脫硫工藝，采用圓型振動漿液技術以及對關鍵技術參數進行優化后，煙氣脫硫效率超過80%。2018年，常州東方特鋼有限公司為了實現燒結煙氣超低排放10 mg/m3的標準要求，提出了燒結煙氣濕法脫硫+濕式電除塵器+SCR脫硝的綜合煙氣凈化系統。同年，陽春新鋼鐵利用布袋除塵器與現有的電除塵器串聯的方式進行燒結機尾除塵?，實現排放濃度在10 mg/m3以下的目標。燒結機采用“電—袋”除塵技術，電除塵對煙氣進行預除塵之后，可使進入布袋除塵器的煙氣負荷大幅降低，粉塵濃度大幅減少。2019年，八鋼燒結機機尾采用電袋復合除塵器取代了電除塵器，對第一電場電極進行了修復，在第三電場與風機之間新增布袋區，燒結機機尾出口含塵濃度小于5 mg/m3。2020年，鞍鋼將燒結機電除塵器改為袋式除塵器的方案，使得粉塵濃度降低至5.0～7.2 mg/m3。

目前，燒結機除塵技術主要采用電除塵器和布袋除塵器相結合的除塵設備來代替過去單一的除塵設備，并且這種復合除塵器結合了電除塵器和布袋除塵器的優點，除塵效果遠超于其單獨作用的除塵效果。

2 高爐煤氣除塵技術發展現狀

高爐煤氣除塵技術包括干法除塵技術和濕法除塵技術。干法除塵技術分為布袋除塵技術和電除塵技術。濕式除塵技術主要采用文氏管洗滌除塵技術。

2.1 干法除塵技術

在國外，干法除塵工藝主要采用以電除塵技術。20世紀50年代，蘇聯、美國都曾使用袋式除塵器對高爐煤氣進行凈化，因一些原因未大面積推廣。20世紀60年代，高爐布袋除塵器為了提高除塵效率，采取濕法降溫技術，但此技術仍存在一些弊端。1972年，德國丁格勒作為最早使用高爐煤氣干法除塵凈化的國家之一，將袋式除塵器應用于高爐煙氣的凈化。20世紀80年代后期，日本大多數高爐都采用干法布袋除塵工藝，但是住友小倉、川崎千葉等對1 200～4 500 m3高爐采用干法除塵和濕法除塵并用工藝。

在國內，僅有武鋼和邯鋼的2座高爐將電除塵技術應用于高爐煤氣除塵，主要限制因素是電除塵器需要國外引進，投資較高，設備制造周期長，技術難度大。近年來，高爐煤氣除塵均以布袋除塵技術為主。國內布袋除塵工藝具有除塵效率高、節水節電的優點。目前，國內高爐大多采用干法布袋除塵技術，節能效果明顯[2]。20世紀50年代開始，我國的高爐煤氣采用干式袋式除塵器，在小高爐上的凈化高爐煤氣的試驗采用袋式除塵器。20世紀70年代末，干式袋除塵器除塵技術在小高爐煤氣的凈化成為主流技術。1988年，鄧立人等發明了一種布袋除塵器反吹控制方法。將此方法應用在300 m3的高爐上，結果顯示：干法除塵的煙氣含塵量達到10 mg/m3，濕法除塵的凈煤氣含塵量為46 mg/m3，由此可以得出干法除塵的效率要優于濕法除塵。韶鋼在2004年建成的一座750 m3的中型高爐，采用了大量新技術，其中最明顯的改進是將全干法脈沖布袋塵技術應用于高爐煤氣除塵。布袋除塵排放含塵量達到10 mg/m3。2009年寶鋼1號高爐采用了干法布袋除塵技術，使煤氣中平均含塵量基本降至5 mg/m3。2013年龍承俊研究了旋風除塵加布袋除塵的全干法除塵技術，將此技術應用在鞍鋼2 580 m3高爐上，旋風除塵器除塵效率可達到85%，具有很好的發展前景。2014年賈彩清采用了全干法靜電除塵技術，預期成果能夠實現全干法電除塵，具有較好的節能效果，并帶來了不錯的經濟效益。2020年，山鋼日照5 100 m3高爐煤氣布袋除塵系統設計選型結合國內外高爐干法布袋除塵器的設計、規范要求和生產經驗，布袋除塵后的凈煤氣粉塵含量應不大于5 mg/m3。

2.2 濕法除塵技術

對于大高爐而言，由于壓力高、煤氣流量大，溫度難以調控等因素，以濕法除塵為主。文丘里管除塵技術是用水滴捕集氣體中的塵粒，將氣體固體分離轉變為氣體液體分離，從而實現除塵的目標。該技術具有耗水量低、除塵效率高等優點，但是存在能耗高、壽命短等問題。1994年潘華珊研究的新一代高爐煤氣濕式精凈化設備是一種文丘里洗滌系統，能使一出口煤氣含塵量從原來的30～40 mg/m3降至10 mg/m3以下。1995年，劉廣文研制了“液膜噴入”式的新型文氏除塵器，解決了之前文氏管除塵器易阻塞、霧化不完全的問題。2000年，劉江坤對湖南省金竹山電廠4號爐的文氏管除塵器由方形改成圓形，經測定其除塵效率為97.13%。2002年，霍云波等將文丘里—旋流板—噴淋—折流板除霧器替代了文氏管水膜除塵器，提高了除塵器的除塵效率。2011年，曹蕾、周松銳采用陶瓷過濾系統—文丘里管除塵系統相結合的方法對高爐煤氣進行凈化，是IGCC系統成功、高效、零排放運行和多聯產的保證。2018年居勤章對寶鋼高爐煤氣濕法干法除塵系統對比分析，研究發現濕法除塵系統具有運行穩定、投資低、除塵效果好的優點，但是耗水量大、煤氣壓力損失大[3]。

與濕式除塵相比，干式除塵技術的主要優點有：煤氣溫度不降低、可充分利用煤氣顯熱、動力消耗少、效率高、不耗水、無二次污染。且干法的除塵效率更高，目前大高爐都采用干法布袋除塵器，可以達到5 mg/m3。

3 轉爐煤氣除塵技術發展現狀

轉爐煤氣的凈化回收是實現鋼鐵企業粉塵超低排放的重要途徑，也是減少大氣污染的有效手段。轉爐煤氣凈化回收技術按凈化方式分為濕法和干法兩大類，濕法有傳統OG（Oxygen Converter Gas Recover）法和新OG法，干法技術為LT法（Lt Dry Dust Removing）。

3.1 傳統OG法

20世紀60年代初，日本首先提出OG法。20世紀80年代，寶鋼將日本OG技術應用于300 t轉爐。其關鍵是增加了二級可調文氏管喉口，通過不斷改變系統的阻力分配，實現轉爐煙氣凈化。傳統OG工藝的優點是技術簡單、安全可靠。但有諸多缺點：運行阻力大、水電消耗大；除塵效率較低；系統存在二次污染。傳統OG技術的引進，對我國提高轉爐粉塵的超低排放發揮了重要作用。但是隨著國家的鋼鐵企業的超低排放的眼球不斷地提高，傳統的OG系統處理的煙氣含量不能達到標準要求。

3.2 新型OG法（飽和塔文系統）

為了解決傳統OG技術落后的問題，20世紀末，國內大型鋼鐵企業引進了國外飽和塔文系統，也稱為新OG法。該工藝采用了環縫洗滌器，因此其除塵效果明顯提高。

21世紀初，寶鋼在150 t轉爐上采用了新OG技術，解決了布水和阻力之間的問題，降低了粉塵的排放濃度。該技術比傳統OG法流程簡潔，阻力損失小、除塵效率高。由于其除塵后粉塵濃度小于10 mg/m3，因此也是一種取得了突破性進展的粉塵超低排放技術。

2014年，石家莊鋼鐵有限責任公司煉鋼廠采用新型的OG法，對設備取消直段噴槍，使水霧混合更加充分，從而提高除塵效率。

3.3 LT干法除塵

20世紀60年代末，德國魯奇公司和蒂森鋼廠共同研究出LT干法除塵技術。該技術包括煙氣冷卻、凈化回收和粉塵壓塊三大部分。

轉爐煙氣分別通過汽化冷卻煙道和水冷煙道進入蒸發冷卻器，同時向蒸發冷卻器中噴射霧化水，在蒸發冷卻器進行粗除塵。之后通過管道進入靜電除塵器進行精除塵，使粉塵濃度濃度降至10 mg/m3。之后，煙氣進入煤氣冷卻器，降低煙氣溫度后進入煤氣柜[4]，其流程如圖1所示。

圖1 轉爐煤氣LT法回收工藝流程圖

2007年開始，包鋼等企業的轉爐采用了干法除塵技術。其中包鋼投入運行以來，除塵效率明顯提高，凈化后的煙氣含塵量不大于10 mg/m3。2012年攀鋼西昌基地3座200 t轉爐對比顯示，干法除塵煙氣含塵量小于15 mg/m3，濕法除塵煙氣含塵量在100 mg/m3左右，其除塵效果明顯比濕法除塵要好[4]。2018年國內新建的較大轉爐，如山鋼日照300 t轉爐等均應用了LT干法靜電除塵技術，除塵后的煤氣含塵量普遍降低到10 mg/m3以下。

LT干法除塵可有效降低煙氣含塵量，處理后排放煙氣濃度小于10 mg/m3，對設備磨損較小，不存在二次污染的問題，相比濕式除塵系統來說，此技術節電省水；但同時存在一次性投資費用高，技術要求高，安全系數較低，煤氣爆炸危險性高等缺點。所以，需要保證LT干法除塵各個環節設備的高要求管理，才能使干法除塵系統有效除塵。在實現可持續發展的條件下，在國際上，轉爐煤氣LT干法除塵技術得到重視，它將為鋼鐵企業轉爐實現超低排放的發展提供方向。

4 結論

“十四五”期間，隨著國家關節能減排法規的日益嚴格，實現鋼鐵企業粉塵的超低排放已經是必然要求。燒結煙氣電除塵器除了在電場數量有所增加外，采用濕式電除塵器將其粉塵降低至10 mg/m3以下，已經成為一種必然選擇。在高爐煤氣除塵系統中，濕法洗滌除塵技術，雖然有較好的安全性和可靠性，但由于能耗較高，產生大量廢水，必須被干法除塵技術取代。因此，在今后相當長一段時間內高爐干法布袋除塵技術仍將占主導地位。越來越多的企業在轉爐煤氣回收系統中采用干法除塵技術。相比于濕式除塵技術來說，干式除塵技術不僅除塵效率高，而且節能效果明顯，運行成本較低。由于LT干法除塵技術可將粉塵濃度降低至10 mg/m3以下，干法替代濕法的除塵技術將會成為潮流。

除塵設備大型化，降低運行能耗，提高除塵效率，實現粉塵超低排放和超凈排放是未來鋼鐵企業環境治理的主要方向。為了適應國家發展的目標和要求，鋼鐵行業正積極改進鋼鐵生產工藝，大力推廣節能減排，并在鋼鐵生產過程中實現清潔生產，讓鋼鐵工業更好地為中國經濟的發展提供助力。